Spectroscopic investigations of the electrolytic $CO_{2}$ reduction

  • Spektroskopische Untersuchungen der elektrolytischen $CO_{2}$ Reduktion

Jovanovic, Sven; Granwehr, Josef (Thesis advisor); Klankermayer, Jürgen (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die elektrolytische Reduktion von CO2 in Lösung erlaubt die Produktion von klimaneutralen Kraftstoffen und ist daher eine Möglichkeit dem menschengemachten Klimawandel entgegenzutreten. Das Produkt der Elektrolyse variiert mit dem Elektrodenmaterial, wobei im Falle von Silber Kohlenmonoxid entsteht. Studien zu CO2 Reduktionsreaktion können eingeteilt werden in Oberflächenuntersuchungen der Elektrokatalysatoren sowie Untersuchungen der Prozesse im Elektrolyten, wobei diese Arbeit in beiden Themengebieten angesiedelt ist. Im ersten Teil wurde eine post test Raman Studie zum Degradationsmechanismus von silberbasierten Gasdiffusionselektroden (GDEs) durchgeführt. Es konnte kein Beleg für die Deaktivierung des Katalysators durch Kohlenstoffablagerungen gefunden werden. Stattdessen wurde gezeigt, dass Silbernanopartikel an der Oberfläche gebildet werden, welche Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) ermöglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine in operando NMR Studie an der elektrolytischen CO2 Reduktion in wässriger Lösung durchgeführt. Dazu wurde zunächst ein in operando Elektrolysesaufbau entwickelt der kompatibel mit Hochfeld-NMR Spektrometern sowie den entsprechenden Probenköpfen ist. Wechselwirkungen mit den für die NMR typischen Magnetfelder wurden minimiert durch Reduktion metallischer Komponenten sowie einer Abschirmung des Aufbaus. Im zweiten Schritt wurden mittels des in operando Elektrolyseaufbaus die Chemie und Prozesse in wässrigen Hydrogencarbonatelektrolyten während der Elektroyse untersucht. Es wurde gezeigt, dass der Elektrolyt als freie Ionen und als Ionenpaare in Lösung vorliegt. Die Austauschrate zwischen beiden Formen wird durch das angelegte Potential während der Elektrolyse beeinflusst. Dieser Austausch beeinflusst das dynamische Gleichgewicht zwischen gelöstem CO2 und Hydrogencarbonat in Lösung, wodurch sich eine Möglichkeit bietet verbrauchtes CO2 während der Elektrolyse zu ersetzen.

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